光纖傳感介紹

隨著(zhù)我國信息技術(shù)的迅猛發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)興起，與之匹配的各種傳感器得到廣泛應用，光纖傳感是一種新型傳感技術(shù)，通過(guò)光的反射、折射和吸收效應，光學(xué)多普勒效應、聲光、電光、磁光和彈光效應等，可使光波的振幅、相位、偏振態(tài)和波長(cháng)等參量直接/間接地發(fā)生變化，因而，可將光纖作為敏感元件來(lái)探測各種物理量。

該技術(shù)源自1977年，伴隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)，世界上已有光纖傳感技術(shù)上百種，諸如溫度、壓力、流量、位移、振動(dòng)、轉動(dòng)、彎曲、液位、速度、加速度、聲場(chǎng)、電流、電壓、磁場(chǎng)及輻射等物理量都實(shí)現了不同性能的傳感。此外，光纖工作頻帶寬，動(dòng)態(tài)范圍大，適合于遙測遙控，是一種優(yōu)良的低損耗傳輸線(xiàn)；在一定條件下，光纖特別容易接受被測量或場(chǎng)的加載，是一種優(yōu)良的敏感元件；光纖本身不帶電，體積小，質(zhì)量輕，易彎曲，抗電磁干擾，抗輻射性能好，特別適合于易燃、易爆、空間受?chē)栏裣拗萍皬婋姶鸥蓴_等惡劣環(huán)境下使用。

光纖傳感技術(shù)

當光通過(guò)不均勻介質(zhì)時(shí)會(huì )向四面八方傳播，即為光的散射。散射是光波與光纖介質(zhì)的粒子相互作用的結果。當光在光纖中傳輸時(shí)，由于光纖中折射率分布不均勻，也會(huì )發(fā)生散射，主要有瑞利散射，布里淵散射與拉曼散射三種形式。

光纖傳感的測量原理是利用光在光纖中傳輸能夠產(chǎn)生后向散射原理。即在光纖中注入一定能量和寬度的激光脈沖，通過(guò)脈沖在光纖中傳輸的同時(shí)不斷產(chǎn)生后向散射光波，該光波的狀態(tài)受到所在光纖散射點(diǎn)的影響而改變，將散射回來(lái)的光波經(jīng)波分復用、檢測解調后，送入信號處理系統便可將信號實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，并且由光纖中光波的傳輸速度和背向光回波的時(shí)間可對這些信息定位。

根據光纖傳感技術(shù)的工作原理所形成的光纖傳感器及智能儀器儀表系統，主要包括光源、傳輸光纖、傳感元件、光電探測器和信號處理單元等五個(gè)部分。光源相當于一個(gè)信號源，負責信號的發(fā)射；光纖是傳輸媒介，負責信號的傳輸；傳感元件是感知外界信息，相當于調制器；光探測器負責信號的轉換，將光纖送來(lái)的光信號轉關(guān)成電信號；信號處理電路的作用是還原外界信息，相當于解調器。

隨著(zhù)技術(shù)和需求的發(fā)展，光纖傳感由單點(diǎn)檢測逐漸發(fā)展成為多點(diǎn)準分布式和全分布式檢測。分布式光纖傳感測量是利用光纖的一維空間連續特性進(jìn)行測量的技術(shù)。光纖既作為傳感元件，又作為傳輸元件，可以在整個(gè)光纖長(cháng)度上對沿光纖分布的環(huán)境參數進(jìn)行連續測量，同時(shí)獲得被測量的空間分布狀態(tài)和隨時(shí)間變化的信息，由于分布式傳感技術(shù)能夠實(shí)現大范圍測量場(chǎng)中分布信息的提取，可解決目前測量領(lǐng)域的眾多難題，因此成為未來(lái)國內外研究的熱點(diǎn)。

分布式光纖傳感的應用分類(lèi)體系如下：

分布式光纖傳感技術(shù)的廣泛應用

分布式光纖傳感器技術(shù)是一項當今世界令人矚目的迅猛發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)之一，也是當代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要標志，它與通信技術(shù)、計算機技術(shù)構成信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。根據智研咨詢(xún)的統計數據，2019年中國分布式光纖傳感器市場(chǎng)規模約44.4億元，2014年至2019年CAGR為20.06%。假設該復合增速不變，據此預測2022年市場(chǎng)規模約76.8億元、2023年市場(chǎng)規模約92.2億元。

由于分布式光纖溫度傳感系統中的檢測光纖本征無(wú)源不帶電，耐高電壓和強電磁場(chǎng)、耐電離輻射，抗射頻和電磁干優(yōu)，防雷、防爆、抗腐蝕，能在有害環(huán)境中安全運行，是實(shí)用的本安型傳感器，因此，在電力系統、交通領(lǐng)域、隧道、大壩、石油、化工、煤礦等危險區域的大面積、大范圍的溫度報警和火情監測等領(lǐng)域，已成為光纖傳感技術(shù)和檢測技術(shù)應用的發(fā)展趨勢。從應用分布看，2019年中國分布式光纖傳感市場(chǎng)應用以油氣為主，包括油氣管道、油氣井下和油氣抗震的應用，占了整體應用的45%。

3.1電力工業(yè)

智能電網(wǎng)的基本特征就是信息化、自動(dòng)化和互動(dòng)化，要實(shí)現這一目標，作為信息采集的關(guān)元器件，傳感器是不可或缺的，而光纖傳感器由于其自身的優(yōu)點(diǎn)，必將在電力系統中獲得廣泛的應用。

采用分布式光纖傳感器對輸電線(xiàn)路進(jìn)行溫度測量在國外已經(jīng)得到廣泛應用，而國內也在積極地開(kāi)展這方面的研究工作分布式光纖傳感器在輸電環(huán)節的另一種應用，則是對輸電線(xiàn)路的塔、線(xiàn)的結構健康監測，尤其是監測輸電塔、線(xiàn)在惡劣環(huán)境(覆冰、大風(fēng)、高低溫等)下的受力情況，確保電力系統的安全可靠運行，這方面的研究處于起步階段。如何充分利用光纖傳感器多參數測量的優(yōu)勢，如何將分布式光纖傳感系統對溫度和應力進(jìn)行測量與電纜故障診斷技術(shù)相結合，構成基于光纖傳感器的電纜在線(xiàn)故障診斷系統，實(shí)現電纜溫度、應力應變的實(shí)時(shí)監測和動(dòng)態(tài)載流量分析，實(shí)時(shí)進(jìn)行電纜電氣故障分析、識別和定位，保障智能電網(wǎng)的安全可靠運行，將是分布式光纖傳感器在輸電環(huán)節應用的重點(diǎn)發(fā)展方向。

高壓電氣設備中由于微波和電磁干擾的影響，傳統的測溫方法難于或者根本無(wú)法得到真實(shí)的測試結果。而分布式光纖溫度傳感器與傳統的各類(lèi)溫度傳感器相比，其具有一系列獨特的優(yōu)點(diǎn)：使用光纖作為傳輸和傳感信號的載體，有效克服了電力系統中存在的強電磁干擾；利用一根光纖為溫度信息的傳感和傳導介質(zhì)，可以測量沿光纖長(cháng)度上的溫度變化；采用先進(jìn)的 OTDR 技術(shù)和 Raman 散射光對溫度感的特性，探測出沿著(zhù)光纖不同位置的溫度的變化；實(shí)現真正分布式的測量， 非常適合各種長(cháng)距離的溫度測量、在線(xiàn)實(shí)時(shí)監測等。

3.2在鐵路災害防治中的應用

山坡上布置基于布里淵散射的分布式光纖布里淵應力傳感器。這種傳感器利用光纖中的背向布里淵散射進(jìn)行測量，可以同時(shí)測量光纖沿線(xiàn)的溫度和應力情況，并且可以精確定位測量點(diǎn)的位置。將這種光纖固定山體上的錨桿中，當山體發(fā)生滑坡時(shí)，碎石帶動(dòng)錨桿移動(dòng)，從而拉扯光纖產(chǎn)生應力。根據散射光的強度和返回時(shí)間，即可知道山體滑坡發(fā)生的地點(diǎn)。該傳感器只需要使用普通光纖，成本較為低廉，同時(shí)其測量范圍遠遠大于光纖光柵傳感器，可以達到幾公里甚至幾十公里。

在北方，嚴重結冰發(fā)生的概率更大，每年都給鐵路交通運輸造成很大損失。分布式光纖布里淵應力傳感器可用于輸電線(xiàn)的結冰監測。其方法是，將測量光纜與輸電線(xiàn)安裝在一起，當有結冰和積雪發(fā)生時(shí)，會(huì )導致測量光纜被拉伸，通過(guò)應力測量即可知道輸電線(xiàn)纜是否有斷裂的危險，并可準確地知道事故發(fā)生地點(diǎn)的位置。這種傳感器體積小、質(zhì)量輕，不會(huì )給輸電帶來(lái)額外的負荷；抗電磁干擾能力強，可以傳輸很遠的距離；同時(shí)它準確判斷位置的能力也是電類(lèi)傳感器無(wú)法做到的。

3.3工程應用

應用于工程領(lǐng)域的光纖傳感技術(shù)主要有光纖光柵（FBG）、瑞利散射光時(shí)域反射（OTDR）和拉曼光時(shí) 域反射（ROTDR）、布里淵光時(shí)域反射（B0TDR）或布里淵光時(shí)域分析（BOTDA）。每種光纖傳感技術(shù)的特 點(diǎn)不同。適用于不同的監測對象。FBG 技術(shù)主要進(jìn) 行點(diǎn)式高精度監測，具有高速實(shí)時(shí)監測的性能，適用 于橋梁、隧道的重點(diǎn)部位的監測，成本適中，但是其監 測點(diǎn)數有限并存在盲區。其他幾種傳感技術(shù)的特點(diǎn) 及應用如表所示。

3.4管道檢測

分布式光纖管道監測技術(shù)屬于長(cháng)距離、低靈敏度的靜態(tài)監測，對了解管道結構性能的整體變化趨勢較為適用。日本ANDO公司研制開(kāi)發(fā)了基于BOTDR技術(shù)的光纖應變/損耗分析儀，該分析儀對光纖沿線(xiàn)應變信息可達到最長(cháng)80km的有效檢測，測量精度和空間分辨率可達到±0.003%和1m；加拿大OZ公司的ForesightTM傳感器系統可在50km測量范圍內達到±2με和±0.1℃的應變和溫度測量精度，同時(shí)空間分辨率可達到10cm。分布式光纖管道監測系統通常都可以對管道應變和溫度同時(shí)進(jìn)行測量，進(jìn)而實(shí)現管道變形狀況的實(shí)時(shí)連續監測。

3.5安防

隨著(zhù)經(jīng)濟迅速發(fā)展和治安狀況愈加復雜，一些重大工程項目和重點(diǎn)保護區域，如機場(chǎng)，火車(chē)站，軍區等，都對安防提出了很高要求。而傳統安防技術(shù)存在 性能差，誤報率高，容易遭受雷擊，使用銅纜等缺點(diǎn)，光纖周界防范系統可以有效地克服現行周界安防系統的缺點(diǎn)，而且還具有監控距離長(cháng)，無(wú)電磁輻射，抗干 擾能力強，可靠性高，工程施工相對簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是當 今安防市場(chǎng)發(fā)展的主流方向。

目前正在運行的光纖傳感安防系統，都是采用光 纖傳感和視頻監控、紅外對射混合使用的手段，且這 種混合組網(wǎng)安防技術(shù)會(huì )存在相當長(cháng)的一段時(shí)間。

3.6石油工業(yè)領(lǐng)域

光纖傳感技術(shù)的出現極大的豐富了油田的測試領(lǐng)域。近年來(lái)，分布式光纖傳感技術(shù)的發(fā)展已趨于成熟，目前雖然光纖傳感技術(shù)還未廣泛地應用于油田開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，但它作為一種有著(zhù)巨大潛力的新技術(shù)，必將廣泛應用于石油開(kāi)發(fā)領(lǐng)域并發(fā)揮巨大作用。光纖傳感器技術(shù)是改變石油產(chǎn)業(yè)游戲規則的關(guān)鍵技術(shù)，光學(xué)油田將是未來(lái)油田發(fā)展的必然趨勢。

3.7復合材料領(lǐng)域

近年來(lái)分布式光纖檢測技術(shù)在復合材料中的應用受到高度重視。在復合材料中埋入光纖,從而賦予結構智能功能,以監控結構的制造過(guò)程及運行狀態(tài)。為了精確地確定應力點(diǎn)位置與應力大小,目前發(fā)展了POTDR(偏振光時(shí)域反射)、OCDR(光相干域反射)、OFDR(光頻域反射)和FMCW(調頻載波)等技術(shù),POTD是在OTDR基礎上發(fā)展起來(lái)的技術(shù),與OTDR相似,它需要高功率短脈沖技術(shù),且其空間分辨率較低。

FMCW技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種OFDR技術(shù),可以獲得比POTDR高的空間分辨率,但受頻率掃描非線(xiàn)性限制。OCDR可以獲得高的空間分辨率和大的距離動(dòng)態(tài)范圍,但是它需要將光束經(jīng)邁克爾遜空間干涉光路后耦合入光纖,因而給耦合帶來(lái)一定困難。